ガリウム砒素材料の製造方法

１９５０年代以来、様々なヒ化ガリウム単結晶成長方法が開発されてきた。現在主流である工業的成長プロセスは、液封ストレートドローイング（ＬＥＣ）、水平ブリジマン法（ＨＢ）、垂直ブリジマン法（ＶＢ）、および垂直勾配凝固（ＶＧＦ）を含む。

1.液体シールチョクラルスキー（LEC）

ＬＥＣ法は、ノンドープの半絶縁性ガリウム砒素単結晶（ＳＩＧａＡｓ）を成長させるための主要プロセスである。現在、市販されている半絶縁性ガリウム砒素単結晶の80％以上がLEC法で成長しています。ＬＥＣ法は、グラファイトヒーターとＰＢＮ坩堝を用い、液体封止剤としてＢ 2 Ｏ 3を用いて２ＭＰａのアルゴン雰囲気中でガリウム砒素結晶を成長させる方法である。ＬＥＣ法の主な利点は、それが高い信頼性を有しそして長径の単結晶を成長させることが容易であるということである。結晶炭素含有量は制御可能であり、結晶の半絶縁性は良好である。主な欠点は、化学量を制御するのが難しく、熱電場の温度勾配が大きく（100〜150K / cm）、結晶の転位密度が高く不均一であることです。日本の日立電線株式会社は1998年に最初に6インチLEC GaAs単結晶製造ラインを設立しました。同社は当時世界最大のGaAs単結晶炉を設置しました、直径400mm、供給容量50kg、そして6インチの単一成長。結晶長は３５０ｍｍに達する。 2000年に、Freibergerは世界初のLECプロセスによって開発された8インチのガリウム砒素単結晶を報告しました。

横型ブリッジマン（HB）

ＨＢ法は、かつては信頼性と安定性が高く、常圧下で成長するために石英ボートと石英管を使用して、半導体（低抵抗）ガリウム砒素単結晶（ＳＣＧａＡｓ）を大量生産するための主要プロセスであった。ＨＢ法の利点は、ヒ素蒸気を使用して物体の化学量論比を正確に制御することができ、転位を減少させる目的を達成するためには温度勾配が小さいことである。ＨＢガリウム砒素単結晶の転位密度は、ＬＥＣガリウム砒素単結晶の転位密度より一桁以上低い。主な不利点は、男性がノンドープの半絶縁性ガリウム砒素単結晶を成長させ、そして成長される結晶界面がＤ姓であり、それがウエハへの加工プロセスにおいて大きな材料の無駄を引き起こすことである。同時に、高温での石英ボートの耐荷力のために、大きな直径の結晶を成長させることは困難である。現在、ＨＢプロセスの大量生産は主に２インチおよび３インチの結晶の場合であり、ガリウムヒ素の報告されている最大ガリウムヒ素は４インチである。現在、ガリウム砒素材料の製造にHBプロセスを使用している企業は多くありません。 VBプロセスとVGFプロセスの成熟に伴い、HBプロセスは徐々に置き換えられてきました。

3.垂直ブリッジマン（VB）

VB法は、1980年代後半に開発された結晶成長プロセスです。合成したガリウム砒素多結晶、Ｂ２Ｏ３および種結晶をＰＢＮ坩堝に詰め、真空石英ボトル中に密封した。炉体を垂直に配置した。ワイヤは抵抗ワイヤによって加熱され、石英ボトルは炉体の中央に垂直に配置されます。高温では、ガリウム砒素多結晶を溶融させて種結晶と融着させた後、操作機構を介して石英棒と坩堝を支持棒で下方に移動させる。ある温度勾配の下では、単結晶は種結晶の端部からゆっくり成長する。ＶＢ法は、低抵抗のガリウム砒素単結晶または高抵抗の半絶縁性ガリウム砒素単結晶を成長させることができる。結晶の平均ＥＰＤは５，０００／ｃｍ −２未満である。

垂直勾配凝固（垂直勾配フリーズ、ＶＧＦと呼ばれる）５。

ＶＧＦプロセスおよびＶＢプロセスの原理および応用分野は基本的に類似している。最大の違いは、VGF方式では結晶落下キャリッジ機構と回転機構が相殺されることです。コンピュータは熱場を正確に制御してゆっくりと冷却し、そして成長界面が融液の下端から上方に移動して結晶成長を完了する。このプロセスは、機械的伝達機構の排除により結晶成長界面をより安定にし、超低転位ＧａＡｓ単結晶を成長させるのに適している。ＶＢ法およびＶＧＦ法の欠点は、結晶成長過程中に結晶成長を観察および判断することができず、結晶成長期間が長いことである。現在、国際商業レベルでは6インチVB / VGFガリウム砒素結晶を量産することができています。 2002年に、FreibergerはVGFプロセスによって開発された世界初の8インチガリウム砒素単結晶を報告しました。